RU2583205C1

RU2583205C1 - Vibration damping device of blisk impellers of gas turbine engine

Info

Publication number: RU2583205C1
Application number: RU2015113903/06A
Authority: RU
Inventors: Иван Георгиевич Габов; Юрий Александрович Берендорф; Александр Андреевич Балакирев; Михаил Шмерович Нихамкин; Андрей Юрьевич Головкин; Николай Алексеевич Саженков; Леонид Васильевич Воронов; Александр Алексеевич Халяпин; Иван Петрович Конев; Сергей Валерьевич Семенов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2016-05-10

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to dampers for damping vibrations of working blades and discs of aircraft gas turbine engines, specifically devices for damping vibrations of working wheel of blisk type (mono-wheel). Vibration damping device of impellers of turbine engine includes a damping element formed as an elastic tape wound in a tight spiral in several layers, bonded and fixed radial pin with an interference fit on a cylindrical surface or conical rim blisk. Elastic strip may have a variable width along length and/or thickness. Cross section of elastic tape has a trough shape. Elastic tape is made of material with high internal friction. Material with high internal friction is a composite material

EFFECT: higher strength and reliability of the impellers of blisk type gas turbine engine.

5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к демпферам для гашения вибраций рабочих колес газотурбинных двигателей, а именно к устройствам демпфирования колебаний рабочих колес типа блиск (моноколес).The invention relates to dampers for damping the vibrations of the impellers of gas turbine engines, and in particular to devices for damping the vibrations of impellers of the Blisk type (monowheels).

Конструкция газотурбинных двигателей предусматривает использование облегченных рабочих колес типа блиск, в которых лопатки выполнены с диском за одно целое. Использование блисков требует решения проблемы исключения опасных вибраций, сложность проблемы определяется отсутствием в рабочих колесах конструкционного демпфирования колебаний.The design of gas turbine engines provides for the use of lightweight blisk type impellers in which the blades are made with the disk in one piece. The use of blisk requires solving the problem of eliminating dangerous vibrations, the complexity of the problem is determined by the absence of structural damping of vibrations in the impellers.

Известна конструкция, в которой для конструкционного демпфирования колебаний блисков используют дополнительное устройство - демпфер сухого трения, который представляет собой упругое разрезное кольцо, устанавливаемое с натягом на внутренней поверхности обода блиска. Возникающие в контакте кольцо-блиск силы трения при наличии взаимных перемещений на контактной поверхности совершают работу, которая обеспечивает демпфирующий эффект. (Laxalde D, Thouverez F, Lombard J-P. Vibration control for integrally bladed disks using friction ring dampers. ASME Turbo Expo 2007, Montreal, Canada. GT 2007-27087).There is a known construction in which for structural damping of blisk vibrations an additional device is used - a dry friction damper, which is an elastic split ring installed with an interference fit on the inner surface of the blisk rim. The frictional forces arising in the contact ring-blisk in the presence of mutual displacements on the contact surface perform a work that provides a damping effect. (Laxalde D, Thouverez F, Lombard J-P. Vibration control for integrally bladed disks using friction ring dampers. ASME Turbo Expo 2007, Montreal, Canada. GT 2007-27087).

Основной недостаток такого устройства - узкий диапазон частот вращения рабочих колес, в котором обеспечивается демпфирование колебаний блиска: при высоких частотах вращения под действием на кольцо центробежных сил контактное давление в контакте кольцо-блиск возрастает до величины, при которой блокируются взаимные перемещения на контактной поверхности и потери энергии на трение исчезают.The main disadvantage of such a device is the narrow range of impeller rotation frequencies, in which damping of blisk vibrations is ensured: at high rotation frequencies under the action of a centrifugal force on the ring, the contact pressure in the blisk-ring contact increases to a value at which mutual displacements on the contact surface and losses are blocked friction energies disappear.

Известны встроенные фрикционные демпферы в виде вставок, которые устанавливаются под трактовыми полками соседних лопаток и прижимаются к ним под действием собственных центробежных сил (патент US №5205713, МПК: F01D 5/26).Known built-in friction dampers in the form of inserts that are installed under the path shelves of adjacent blades and are pressed to them under the action of their own centrifugal forces (US patent No. 5205713, IPC: F01D 5/26).

Недостатком этого известного устройства является невозможность его применения в рабочих колесах блискового типа, в которых отсутствуют трактовые полки.The disadvantage of this known device is the impossibility of its use in blisk type impellers, in which there are no path shelves.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция, в которой обод рабочего колеса снабжен пазом и демпфирующим элементом, установленным в пазу. Паз выполнен кольцевым и наклонен относительно вертикальной оси диска. Демпфирующий элемент выполнен в виде многослойного кольцевого пакета чередующихся между собой гладких и гофрированных пластин и установлен в пазу с натягом (патент RU №2022120, МПК: F01D 5/16).Closest to the claimed is a design in which the impeller rim is equipped with a groove and a damping element installed in the groove. The groove is circular and inclined relative to the vertical axis of the disk. The damping element is made in the form of a multilayer annular package of alternating smooth and corrugated plates and is installed in an interference fit (patent RU No. 2022120, IPC: F01D 5/16).

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является наличие концентратора напряжений в ободе рабочего колеса в виде паза для установки демпфера, что снижает прочность и надежность рабочего колеса.A disadvantage of the known design adopted as a prototype is the presence of a stress concentrator in the impeller rim in the form of a groove for installing a damper, which reduces the strength and reliability of the impeller.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении прочности и надежности рабочих колес блискового типа газотурбинного двигателя за счет исключения концентратора напряжений и повышении эффективности демпфирования колебаний.The technical result of the claimed invention is to increase the strength and reliability of the impellers of the blisk type of a gas turbine engine by eliminating the stress concentrator and increasing the efficiency of vibration damping.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве демпфирования колебаний рабочих колес блискового типа газотурбинного двигателя, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ демпфирующий элемент выполнен в виде упругой ленты, плотно свитой в спираль в несколько слоев, скрепленной радиальными штифтами и установленной с натягом на цилиндрической или конической поверхности обода блиска. Упругая лента имеет переменную по длине ширину и/или толщину. Поперечное сечение упругой ленты имеет желобчатую форму. Упругая лента изготовлена из материала с высоким внутренним трением. Материал с высоким внутренним трением представляет собой композиционный материал.The specified technical result is achieved by the fact that in the vibration damping device of the impellers of the blisk type of a gas turbine engine, ACCORDING TO THE INVENTION, the damping element is made in the form of an elastic tape tightly twisted into a spiral in several layers, fastened with radial pins and mounted with an interference fit on the cylindrical or conical surface of the blisk rim . The elastic tape has a variable length and / or thickness. The cross section of the elastic tape has a grooved shape. The elastic tape is made of a material with high internal friction. A material with high internal friction is a composite material.

Выполнение демпфирующего элемента в виде упругой ленты, плотно свитой в спираль и установленной с натягом на цилиндрической или конической поверхности обода блиска, обеспечивает при колебаниях блиска потери энергии на трение между лентой и контактной поверхностью блиска, а также между слоями ленты; тем самым обеспечивается демпфирование колебаний, снижение их амплитуды, что повышает надежность рабочих колес газотурбинного двигателя.The implementation of the damping element in the form of an elastic tape, tightly twisted in a spiral and installed with an interference fit on the cylindrical or conical surface of the blisk rim, provides blister vibrations with friction energy loss between the tape and the contact surface of the blisk, as well as between the layers of the tape; This ensures damping of the oscillations, a decrease in their amplitude, which increases the reliability of the impellers of a gas turbine engine.

Наличие скрепляющих упругую ленту штифтов препятствует ее расширению под действием возникающей при вращении блиска центробежной силы, ограничивает контактное давление между слоями ленты и тем самым расширяет диапазон эффективной работы демпфирующего устройства.The presence of pins fastening the elastic tape prevents its expansion under the action of the centrifugal force arising during the rotation of the blisk, limits the contact pressure between the layers of the tape and thereby extends the range of effective operation of the damping device.

Выполнение упругой ленты переменной по длине ширины и толщины обеспечивает появление дополнительных собственных частот и форм колебаний ленты и тем самым расширяет диапазон эффективной работы демпфирующего устройства.The implementation of the elastic tape of variable length and width thicknesses provides the appearance of additional natural frequencies and vibration modes of the tape and thereby extends the range of effective operation of the damping device.

Желобчатый профиль поперечного сечения упругой ленты позволяет обеспечить более равномерное распределение контактного давления между слоями и по поверхности блиска и за счет этого повысить эффективность демпфирования.The grooved cross-sectional profile of the elastic tape allows for a more uniform distribution of contact pressure between the layers and over the surface of the blisk and thereby increase the damping efficiency.

Упругая лента, изготовленная из материала с высоким внутренним трением, представляющим собой композиционный материал, обеспечивает более высокую эффективность демпфирования за счет дополнительного механизма демпфирования - внутреннего трения в ленте.An elastic tape made of a material with high internal friction, which is a composite material, provides higher damping efficiency due to an additional damping mechanism - internal friction in the tape.

На фиг. 1 изображено устройство демпфирования колебаний рабочих колес блискового типа.In FIG. 1 shows a device for damping oscillations of impellers of a blisk type.

На фиг. 2 - вид. А на фиг 1.In FIG. 2 - view. And in FIG. 1.

На фиг. 3 - сечение В-В на фиг 2 в увеличенном виде.In FIG. 3 is a cross-section BB in FIG. 2 in an enlarged view.

На фиг. 4 показана упругая лента переменной ширины и толщины.In FIG. 4 shows an elastic tape of variable width and thickness.

На фиг. 5 показана упругая лента желобчатого профиля.In FIG. 5 shows an elastic band of a groove profile.

Устройство демпфирования колебаний рабочих колес блискового типа представляет собой упругую ленту 1, свитую в спираль в несколько слоев, скрепленную несколькими радиальными штифтами 2. Устройство установлено с натягом на цилиндрической или конической поверхности 3 обода блиска 4. Штифт 2 установлен в радиальном отверстии, проходящем через все слои упругой ленты 1 кроме последнего. Штифт 2 фиксируется от выпадения последним внутренним слоем упругой ленты, который, в сою очередь, фиксируется отгибными лепестками 5, выполненными на первом слое ленты 1. Упругая лента 1 выполнена переменного поперечного сечения (фиг. 4.). Лента 1 имеет прямоугольную (фиг. 4.) и желобчатую (фиг. 5.) форму сечения. Упругая лента 1 изготовлена из материала с высоким внутренним трением, представляющим собой композиционный материал.Blisk type impeller vibration damping device is an elastic tape 1, twisted into a spiral in several layers, fastened by several radial pins 2. The device is installed with an interference fit on the cylindrical or conical surface 3 of the blisk rim 4. Pin 2 is installed in a radial hole passing through all layers of elastic tape 1 except the last. The pin 2 is fixed from falling out by the last inner layer of the elastic tape, which, in turn, is fixed by folding petals 5 made on the first layer of tape 1. The elastic tape 1 is made of variable cross section (Fig. 4.). Tape 1 has a rectangular (Fig. 4.) and grooved (Fig. 5.) sectional shape. The elastic tape 1 is made of a material with high internal friction, which is a composite material.

При сборке упругую ленту 1 укладывают на контактной поверхности 3 блиска 4 с натягом и устанавливают штифты 2. Последним (внутренним) слоем ленты 1 фиксируют штифты 2 и отгибают лепестки 5, фиксируя ими внутренний слой ленты 1. Начальный натяг ленты 1 определяется из соображений создания в процессе работы контактного усилия, обеспечивающего необходимую силу трения при колебаниях блиска.When assembling, the elastic tape 1 is laid on the contact surface 3 of the blisk 4 with an interference fit and the pins 2. The pins 2 are fixed with the last (inner) layer of the tape 1 and the tabs 5 are unbent, fixing the inner layer of the tape 1. The initial tightness of the tape 1 is determined for reasons of creation in the process of contact force, providing the necessary frictional force during blisk fluctuations.

При вращении рабочего колеса под действием центробежной силы упругая лента 1 прижимается к контактной поверхности 3 блиска 4. При возникновении колебаний блиска имеют место взаимные перемещения ленты 1 и контактной поверхности 3 блиска 4, а также слоев ленты 1 между собой, сопровождающиеся появлением сил трения. Работа сил трения снижает энергию колебаний блиска, уменьшает их амплитуду; таким образом осуществляется демпфирование колебаний. Наличие штифтов 2 (см. фиг. 3) ограничивает растяжение ленты 1 под действием центробежных сил при вращении блиска и тем самым ограничивает величину контактного давления между лентой 1 и блиском 4 и между слоями ленты. Благодаря этому исключается эффект заклинивания, снижающий эффективность демпфирования при больших контактных давлениях и заключающийся в блокировании силами трения взаимного перемещения ленты 1 и контактной поверхности 3 блиска 4 и слоев ленты 1 между собой.When the impeller rotates under the action of centrifugal force, the elastic tape 1 is pressed against the contact surface 3 of the blisk 4. When blisk vibrations occur, there is a mutual movement of the tape 1 and the contact surface 3 of the blisk 4, as well as the layers of the tape 1 between themselves, accompanied by the appearance of friction forces. The work of friction forces reduces the energy of blisk vibrations, reduces their amplitude; In this way, vibration damping is performed. The presence of pins 2 (see Fig. 3) limits the stretching of the tape 1 under the action of centrifugal forces during blisk rotation and thereby limits the contact pressure between the tape 1 and blisk 4 and between the layers of the tape. This eliminates the effect of jamming, which reduces the damping efficiency at high contact pressures and consists in blocking by friction forces the mutual movement of the tape 1 and the contact surface 3 of the blisk 4 and the layers of the tape 1 between themselves.

Устройство демпфирования может быть использовано в блисковых конструкциях газотурбинного двигателя для защиты от повреждений из-за вибраций и многоцикловой усталости.The damping device can be used in blisk designs of a gas turbine engine to protect against damage due to vibration and multi-cycle fatigue.

Claims

1. The device for damping the vibrations of the impellers of the blisk type of a gas turbine engine, including a damping element, characterized in that the damping element is made in the form of an elastic tape tightly twisted into a spiral in several layers, fastened with radial pins and mounted with an interference fit on the cylindrical or conical surface of the blisk rim .

2. The device according to p. 1, characterized in that the elastic tape has a variable length and / or thickness.

3. The device according to p. 1, characterized in that the cross section of the elastic tape has a grooved shape.

4. The device according to p. 1, characterized in that the elastic tape is made of a material with high internal friction.

5. The device according to p. 4, characterized in that the material with high internal friction is a composite material.